Создание "интеллектуального" электронного устройства на базе микроконтроллера и исследование растворов для травления печатных плат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение «Лицей № 1568 имени Пабло Неруды»

Создание «интеллектуального» электронного устройства на базе микроконтроллера и исследование растворов для травления печатных плат

Денисов Егор Анатольевич

Москва, 2017

Введение

Вся машиностроительная область, все электронные устройства, почти вся бытовая техника, популярные на сегодняшний день системы «умного дома» и т. д. - используют или имеют в основе печатные платы. Печатная плата состоит из пластины диэлектрика и сформированных на ней дорожек и контактов. Они удерживают и соединяют между собой электронные компоненты. Один из важных этапов изготовления печатных плат - травление. Это процесс управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием химических реактивов. В настоящее время от электронных устройств требуется выполнение многих функций, поэтому микроконтроллеры, однокристальные компьютеры, способные выполнять относительно сложные задачи, прочно закрепились в нашей жизни.

Цель работы - апробация методов, необходимых для создания прибора на основе микроконтроллера.

Задачи работы:

1. составление принципиальной электрической схемы электронного устройства;

2. подбор оптимального раствора для травления печатных плат;

3. изготовление печатной платы;

4. написание программы для микроконтроллера на языке С в среде AVR Studio 6.0;

5. создание 3D модели корпуса прибора в программе SolidWorks 2012 SP 4.0 и печать с помощью принтера PICASO 3D Designer;

6. сборка действующей модели электронного устройства.

Методы исследования:

· литературный поиск;

· компьютерное моделирование для разработки шаблона платы, а также для разработки модели микросхемы и корпуса устройства;

· изготовление печатной платы с помощью «лазерно-утюжной технологии»;

· химическое травление в растворах;

· пайка электронных элементов платы управления прибором;

· метод оптического контроля чистоты плат под микроскопом;

· метод 3D-проектирования;

· составление программы на языке С;

· метод 3D-печати.

Практическая часть

Эксперимент был разбит на основные этапы:

1) Изготовление плат для травления;

2) Выбор оптимальных условий для травления плат;

3) Контроль чистоты травления;

4) Изготовление платы управления с помощью выбранного раствора;

5) Изготовление деталей корпуса и окончательная сборка электронного устройства.

1-й этап. Для изготовления плат использовался фольгированный медью стеклотекстолит FR-4. Размер заготовок 14 Ч 25 мм, толщина 1,5 мм (cм. приложение №2, рис. 1). Медная поверхность была обработана наждачной бумагой (зернистость P1500) и обезжирена для улучшения сцепления с печатным шаблоном (см. приложение №2, рис. 2). Шаблон создавался с использованием компьютерных технологий в программе SprintLayout 6. Рисунок платы содержит полигоны и дорожки разных форм и размеров для тестирования качества травящих растворов. Для удобства последующей обработки результатов на платах присутствует обозначение номера раствора и температуры, при которой проводится опыт (см. приложение №2, рис. 3, 4). Печать шаблона производилась на лазерном принтере на специализированной термотрансферной бумаге (см. приложение №2, рис. №5)??. С неё шаблоны с помощью бытового утюга при температуре 150°С были перенесены на медную поверхность каждой заготовки. После остывания платы были готовы к травлению (см. приложение №2, рис. 6).

2-й этап. На основании литературного поиска были выбраны и приготовлены 9 популярных составов для травления (см. таблицу в приложении №1) в объёме, достаточном для полного погружения платы в раствор. Травление производилось при комнатной температуре, а с некоторыми растворами - при температурах 45°С, 60°С, 75°С на водяной бане (см. приложение №2, рис. 8). После травления тонер принтера, из которого состоит шаблон, удалялся с помощью ацетона.

3-й этап. Контроль чистоты плат производился с помощью микроскопа на увеличении 40Ч с фотодокументированием с использованием камеры PremiereMA88-300. Изучался один из контактов на печатной плате, ровность линий его контура, наличие недотравленных или излишне вытравленных участков.

4-й этап. Схема прибора (см. приложение №2, рис. 9) основана на микроконтроллере ATtiny13A. Использование микроконтроллера позволяет:

· следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы избежать его полного разряда (ниже 2,5 вольт) и, как следствие, выхода из строя. Когда напряжение падает ниже порогового, фонарь отключается;

· показывать пользователю оставшийся заряд аккумулятора, чтобы всегда знать, сколько времени может проработать фонарь до полного разряда. Индикация осуществляется с помощью красного светодиода, он имеет несколько режимов мигания и свечения, по которым без труда определяется уровень заряда (100% - 80%: светодиод выключен; 79% - 60%: мигание с частотой 0,4 Гц; 59% - 40%: мигание с частотой 1,6 Гц; 39% - 20%: мигание с частотой 8 Гц; 19% - 0%: светодиод горит постоянно);

· экономить заряд аккумулятора, используя широтно-импульсную регуляцию для изменения яркости основного светодиода и режим пониженного энергопотребления микроконтроллера (power down);

· совместно со стабилизатором тока обеспечивать правильный режим работы светодиода. Вне зависимости от его температуры и других параметров ток через него поддерживается на определенном уровне, зависящем от выбранной яркости.

Стабилизатором тока для светодиода CREE XM-L является микросхема AMC7135. Это линейный драйвер светодиода с низким падением напряжения, который стабилизирует ток через светодиод на уровне 350 мА. Программой микроконтроллера задано четыре режима яркости: 100%, 30%, 10% и 2%. Источником энергии служит li-ion аккумулятор типоразмера 18650 (см. приложение №2, рис. 10). Заряжается через внешний разъем, через микросхему TP4056, включенную по типовой схеме. Шаблон платы зарядки приведен в приложении №2 (рис. 11). На максимальной яркости время работы полностью заряженного фонаря 10 часов, а на минимальной - несколько недель. Остальные электронные компоненты размещены на отдельной плате для рационального использования пространства внутри фонаря. Шаблон приведен в приложении №2 (рис. 12). Травление проводилось в растворе персульфата аммония при комнатной температуре (25?С). Затем плата очищается, на нее запаиваются все элементы. Программа для ATtiny13A писалась в среде разработки AVR Studio 6.0. Программа представлена в приложении №6. Записывалась в микроконтроллер с помощью программатора AVR910.

5-й этап. 3D модель корпуса разрабатывалась в программе SolidWorks 2012 SP 4.0. Состоит из пяти деталей (см. приложение №7, рис. №№ 1 - 12) для удобства последующей сборки фонаря. Изготовление корпуса производилось при помощи 3D-принтера PICASO 3D Designer из красного и фиолетового ABS пластика. Масса корпуса 40 грамм.

Результаты

1) Заготовки плат представлены на фото №1 в приложении №2. В этом же приложении на рис. 2 представлены фото заготовки после обработки поверхности, а также после нанесения шаблона (рис. 6). На фото (рис. 7) изображены все платы с нанесёнными шаблонами для травления.

2) Ход травления при комнатной температуре представлен в таблице (приложение №4 - таблица химических реакций и наблюдений), а также на рис. №№ 13 - 21 в приложении №2. Время травления платы в каждом из растворов и для каждой из выбранных температур представлено в таблице (приложение №3 - время травления плат). Получившиеся значения легли в основу сравнительных диаграмм (приложение №3, диаграммы №№ 1-4). Из таблицы и диаграмм видно, что при комнатной температуре:

· наиболее быстродействующим является раствор №8, однако он содержит соляную кислоту в составе и это не безвредно;

· раствор №5, находящийся на втором месте по скорости реакции, является относительно безвредным, что делает его оптимальным вариантом для травления при комнатной температуре;

· следует обратить внимание на раствор №2, среди всех исследуемых растворов он является наиболее доступным и время травления достаточно хорошее;

· азотная кислота не пригодна для травления печатных плат. Тонер и вся медь растворяются, оставляя один стеклотекстолит.

Опыты при нагревании проводились не со всеми растворами, т. к.: раствор №9 слишком активен даже при комнатной температуре, он растворяет тонер и приводит плату в негодность, опыты с ним бессмысленны; растворы №6 и №8 содержат в составе соляную кислоту. Итоги травления при нагревании растворов:

· наименьшее время травления показал раствор №5 при 75?С. Это наилучший результат среди абсолютно всех проведенных опытов;

· при нагревании раствора №2 до температуры больше 60?С выделяется ядовитый газ. При 75?С опыт с этим раствором не проводился.

3) Микрофотографии, отражающие этап контроля чистоты плат, представлены в таблице «Сравнение качества травления печатных плат» в приложении №5. Наилучшее качество у плат, которые травились в растворе №1. Края ровные, медь вытравлена только в нужных местах.

4) Фотография готовой платы для фонаря приведена на рис. №22 в приложении №2. Время травления в растворе №5 при комнатной температуре составило 17 минут.

микроконтроллер электронный травление плата

Заключение

1) Наилучшим для травления печатных плат в лабораторных условиях является раствор персульфата аммония (раствор №5). При нагревании до 75?С время травления меньше, чем у других растворов и является относительно безвредным. Однако для некоторых задач оптимальнее выбрать другие растворы: раствор хлорного железа (раствор №1), если наибольшую важность имеет качество платы, либо раствор лимонной кислоты, перекиси водорода и поваренной соли, если на первом месте стоимость и доступность реактивов. Также важно добавить, что этот раствор (№ 2) не следует нагревать выше 50?С, иначе раствор становится токсичным. Азотная кислота (раствор №9) не пригодна для травления печатных плат.

2) Разработанный корпус был успешно распечатан на 3D принтере. В моделях деталей ошибок не обнаружилось.

3) Детали корпуса и изготовленные печатные платы правильно состыковались между собой, сборка прошла успешно.

4) Программа выполняет поставленные задачи.

5) Электронное устройство «фонарь» работает исправно. Регулирует яркость светодиода, питает его стабилизированным током (яркость не падает с разрядом аккумулятора, увеличивается срок службы светодиода). Правильно работает индикация заряда аккумулятора, экстренное выключение при переразряде.

6) Электронное устройство является многофункциональным. При перепрограммировании микроконтроллера и замене светодиода на инфракрасный, можно получить пульт управления многочисленными устройствами. Притом, благодаря большой мощности светодиода, пульт будет работать на дистанциях в разы больше обычных.

7) Очевидно, что фонарь является лишь частным случаем применения используемых в настоящей работе технологий. Проектирование принципиальных электрических схем, изготовление печатных плат для их реализации, программирование (если плата содержит микроконтроллер, ПЛИС и т. д.), 3D-проектирование и 3D-печать. На основе этих методов можно создать огромное количество устройств, систем и приборов начиная от портативных зарядных устройств, радиоприемников, акустических систем и заканчивая системами автоматизации, такими как «умный дом».

Список используемой литературы

1. Габриелян, О. С. Учебник общая химия 11 класс для образовательных учреждений с углубленным изучением химии / О. С. Габриелян. -- Москва: Просвещение, 2007.

2. Лурье, Ю. Ю. Справочник по аналитической химии / Ю. Ю. Лурье -- Москва: Химия, 1971 -- 456 с.

3. Корольков, Д.В. Основы неорганической химии / Д. В. Корольков. -- Москва: Просвещение, 1982 -- 271 с.

4. Murlock. Безопасный общедоступный состав для травления меди в домашних условиях [Электронный ресурс] / Murlock // РадиоКот: Лаборатория: Радиолюбительские технологии URL: http://radiokot.ru/lab/hardwork/62/ (дата обращения: 10.01.2017).

5. Gramlin. Лазерно-утюжная технология [Электронный ресурс] / Gramlin // Сайт Паяльник: Главная: Мастерская URL: http://cxem.net/master/45.php (дата обращения 10.01.2017).

Размещено на Allbest.ru